Microstructuration par échange protonique sur niobate de lithium : application à la réalisation de fonctions de filtrage

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Submitted on 5 Mar 2012

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de lithium : application à la réalisation de fonctions de

filtrage

Georges Bou Abboud

To cite this version:

Georges Bou Abboud. Microstructuration par échange protonique sur niobate de lithium : applica-tion à la réalisaapplica-tion de foncapplica-tions de filtrage. Autre. Université Paris-Est, 2008. Français. �NNT : 2008PEST0230�. �tel-00676507�

THÈSE

pour obtenir le grade de

Docteur de l’Université Paris-Est

Spécialité

Électronique, Traitement du Signal

présentée et soutenue publiquement par

BOU ABBOUD Georges

le 14 janvier 2008

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ILTRAGE

Directeur de thèse : BENKELFAT Badr-Eddine

Rapporteur A. BOUDRIOUA Professeur, Institut Galilée, Univ. Paris 13

Rapporteur B. WACOGNE Chargé de Recherche CNRS, HDR, Institut FEMTO-ST, Univ. de Franche-Comté

Directeur de thèse B.-E. BENKELFAT Professeur, Institut TELECOM;

TELECOM & Management SudParis, Evry

Examinateurs O. PICON Professeur, Univ. Paris-Est

A. RAMDANE Directeur de Recherche CNRS LPN, Marcoussis

Invités N. GROSSARD Ingénieur de Recherche

Photline Technologies, Besançon

Q. ZOU Maitre de Conférences, Institut TELECOM; TELECOM & Management SudParis, Evry

Tout mon amour te revient,

Paula,

pour avoir parcouru avec moi le long

et difficile chemin menant à ce mémoire.

Remerciements

Le travail présenté dans cette thèse a été effectué au sein du Groupe Optique du département Electronique et Physique de l’Institut TELECOM SudParis en collaboration avec l’Université Paris-Est.

Je remercie Dieu …

Ce travail de thèse n’aurait pas pu voir le jour sans l’encadrement de mon directeur de thèse Monsieur le Professeur Badr-Eddine BENKELFAT. Je le remercie non seulement pour ses conseils, ses orientations et d’avoir dirigé ce travail de recherche avec beaucoup de patience et d'intelligence mais aussi pour m'avoir fait confiance et encouragé au cours de ces années comme un vrai frère. Il a toujours assuré avec un grand professionnalisme le suivi de mes travaux et m'a encouragé à aller toujours plus loin. Je souhaite qu'il trouve dans ce mémoire une récompense à son labeur et dans ces quelques mots l'expression de ma gratitude et de ma sympathie.

J’exprime ma reconnaissance au Professeur Odile PICON, de l’Université Paris-Est, de m’avoir fait l’honneur de présider le jury de soutenance.

Je remercie Monsieur le Professeur Azzedine BOUDRIOUA de l’Institut Galilée, Université Paris 13, pour avoir rapporté mon manuscrit de thèse et m’avoir fait part de ses remarques.

Je tiens à exprimer ma gratitude à Monsieur Bruno WACOGNE, de l’Institut FEMTO-ST, Université de Franche-Comté, rapporteur de ce travail, pour sa lecture attentive et ses avis de spécialiste.

Je tiens à remercier Monsieur le Professeur Abderahim RAMDANE, Directeur de Recherche au Laboratoire de Photonique et Nanostructures du CNRS à Marcoussis, d'avoir accepté de participer à mon jury de thèse. Je le remercie aussi pour les échanges très enrichissants que nous avons eus au cours de ce travail et notamment lors de la rédaction des articles.

Mes remerciements vont aussi à Monsieur Nicolas GROSSARD, non seulement pour son aide précieuse dans la partie technologique et les nombreuses et fructueuses discussions que nous avons pu avoir, mais aussi pour ses encouragements et pour avoir bien voulu participer à ce jury de thèse. Je tiens à remercier aussi toute l’équipe de Photline Technologies.

Je remercie également Monsieur Qin ZOU pour les conversations riches, sincères et motivantes que nous avons eues, ainsi que pour avoir accepté de participer à ce jury.

J'adresse un amical remerciement à toutes les personnes de l’INT (IT-SudParis) et de MLV (Univ. Paris-Est) qui m'ont aidé de près ou de loin, à élaborer ce manuscrit, et qui par leur accueil chaleureux, leur bonne humeur, leur enthousiasme, m'ont permis de réaliser mon travail dans des conditions très agréables. J’ai eu énormément de plaisir à partager cette période à l’INT avec vous. Continuez à faire de ce laboratoire un lieu où il fait bon travailler.

L’ambiance de travail n’aurait pas pu être aussi agréable sans les thésards et les amis de foot et du club jeu que j’ai rencontrés au cours de mes années passées à l’INT. Je voudrais remercier Robert, mon ami d’enfance, Elias, Roger, Rachid, Charbel, Chadi, Nassim, Mariana, Alan, et tous ceux qui me sont chers.

Je dédie ce mémoire à ma grand-mère, Imm Sonia, à mes parents, Boutros et Sanaa, à mes frères, (Nano et son épouse Nano) et Gilbert, à ma sœur Jihane, à ma belle-famille, Emile, Antoinette, (Joseph, Pierrette, Pamela et Léa), (Peter, Reine, Chloé et Célia) et Paul qui m’ont offert un soutien sans faille.

Je voudrais remercier très chaleureusement ma famille en France, BEB, Marie, Jonathan-Nassim, Mehdi, Anaïs et Samy. Vous trouverez au Liban votre pays aussi.

J'exprime mes remerciements à la société CHIP, là où j’ai travaillé depuis 1996.

Résumé court

Summary

Résumé

Introduction générale

Chapitre 1 : Multiplexage et démultiplexage en longueur d’onde

2. Les réseaux de télécommunications……….. 5

2.1. Les techniques de multiplexage……….. 5

2.1.1. Le multiplexage par répartition de codes………... 6

2.1.2. Le multiplexage fréquentiel………... 6

2.1.3. Le multiplexage temporel……….. 7

2.1.4. Le multiplexeur en longueur d’onde………. 8

2.2. Les réseaux optiques ………. 9

2.2.1. Les Réseaux WDM fixes……….. 9

2.2.2. Les Réseaux WDM adressés en longueur d’onde………. 9

2.2.2.1. Généralités ……… 10

2.2.2.2. Les réseaux statiques……….. 11

2.2.2.3. Les différents standards WDM………. 11

3. Composants et fonctionnalités dédiés aux architectures WDM………. 13

3.1. Le Multiplexeur optique d’insertion/extraction reconfigurable……….. 13

3.2. Le filtre en longueur d’onde……… 14

3.2.1. Généralités………... 14

3.2.2. L’accordabilité en longueur d’onde des filtres optiques……… 16

3.2.3. L’interféromètre Fabry-Pérot………... 18

3.3. La Compensation de dispersion……….. 21

3.3.1. Généralités………. 21

3.3.2. La compensation de dispersion à base de réseaux de Bragg…………... 23

3.3.2.1. La compensation fixe………. 24

3.3.2.2. La compensation accordable……….. 25

4.1. Réseaux de diffraction……… 26

4.2. Définition d’un réseau de Bragg………... 27

4.3. Le concept………... 27

4.4. Modélisation………... 27

4.5. Les différents types de réseaux de Bragg……… 28

4.6. Applications des réseaux de Bragg………. 29

5. Optique intégrée et les technologies de réalisation des guides d’onde……….. 30

5.1. Les guides d’onde par échange d’ions……… 30

5.1.1. L’échange de protons………. 30

5.1.2. L’échange d’ions……… 30

5.2. Les guides d’onde par implantation ionique………31

5.3. Les guides réalisés par dépôt……….. 31

5.3.1. Les dépôts physique et chimique………... 31

5.3.2. Les matériaux organiques……….. 32

5.3.3. Les matériaux nanocomposites……….. 32

5.4. Les guides d’onde par diffusion……….. 32

5.5. Le guide distribué par échange protonique………. 33

6. Méthodes de calcul des indices effectifs et des champs électromagnétiques…. 33 6.1. Modélisation de la propagation dans un guide d’onde………34

6.2. La méthode analytique……… 35

6.3. Les méthodes numériques………... 36

6.3.1. La méthode des indices effectifs………36

6.3.2. La méthode variationnelle………. 37

6.3.3. La méthode de Galerkin……… 38

6.3.4. La méthode des faisceaux propagés (BPM)………... 39

6.3.4.1. La méthode BPM basée sur la transformée de Fourier BPM FFT. 40 6.3.4.2. La méthode BPM basée sur les différences finies BPM FD…….. 40

6.3.4.3. La méthode des éléments finis en guidage faible………... 41

6.3.4.4. La méthode à différences finies dans le domaine temporel FDTD42 6.4. Comparaisons qualitatives……….. 42

6.5. La méthode de calcul adaptée à la technologie PPE-Ti:LiNbO3……… 43

7. Conclusion………... 43

1. Introduction……… 51

2. Applications et propriétés du LiNbO3……….. 51

2.1. Quelques applications du LiNbO3……….. 51

2.2. Propriétés structurales………... 52

2.3. Interaction électro-optique……….. 54

2.3.1. Effet électro-optique………... 54

2.3.2. Effet électro-optique dans le LiNbO3……… 59

2.4. Indices de réfraction, biréfringence et guidage optique……….. 62

3. Guides d’onde optique………... 63

3.1. Guide d’onde optique créé par diffusion de Ti dans le LiNbO3………. 63

3.2. Guide d’onde optique créé par échange protonique dans le LiNbO3………….. 66

3.2.1. Différentes techniques d’échange protonique……… 67

3.2.1.1. Guide par échange protonique « doux » (SPE : LiNbO3)……….. 67

3.2.1.2. Échange protonique inverse (Reverse Proton Exchange)…..…… 67

3.2.1.3. Guide à échange protonique en phase vapeur……… 67

3.2.2. Phénoménologie de l’échange protonique………. 68

3.2.2.1. Le processus chimique………... 68

a)- La réaction………. 68

b)- La cinétique………... 69

3.2.2.2. Contrôle de la variation d’indice……… 71

a)- La variation d’indice……….. 71

b)- Contrôle………. 71

3.2.3. Le recuit………. 72

4. Structuration du LiNbO3………... 74

4.1. Structuration par corrugation de la surface du guide……….. 74

4.1.1. Inversion périodique des domaines ferroélectriques………... 74

4.1.1.1. Application d’un champ électrique (poling)……….. 74

4.1.1.2. Backswitching ………... 75

4.1.1.3. Exodiffusion du lithium………. 76

4.1.1.4. Bombardement par faisceau d’électrons……… 76

4.1.2. RIE (Reactive Ion Etching)……… 77

4.1.2.1. RIE avec mélange de gaz CF4/Ar/H2………. 77

4.1.3.1. Irradiation en-dessous du seuil d’ablation………. 77

4.1.3.2. Ablation laser………. 77

4.2. Structuration par modulation d’indice effectif : Guides Ti-PE………... 78

5. Choix de la coupe………... 78

6. Conclusion………... 80

7. Bibliographie du chapitre 2………... 81

Chapitre 3 : Analyse d’un guide d’onde Ti:LiNbO

.

Microstructuration par échange protonique partiel

2. Guides d’onde à saut d’indice………...……… 88

2.1. Cas d’un guide d’onde corrugué à saut d’indice………... 88

2.2. Cas d’un guide d’onde distribué à saut d’indice………... 89

3. Guides d’onde à gradient d’indice……….... 90

3.1. Distribution d’indice constante suivant la direction de propagation dans chacune des zones échangées……… 91

3.1.1. Principe de la méthode analytique………... 92

3.1.2. Indice effectif du guide d'onde Ti:LiNbO3 ……… 93

3.1.3. Généralisation……… 95

3.1.3.1 Indice effectif d’un guide d’onde ayant un profil d’indice quelconque………..……… 95

3.1.3.2 Indice effectif d’un guide d’onde réalisé par des diffusions partielles consécutives……… 98

3.1.4. Indice effectif d’un guide Ti:LiNbO3 ayant subi un échange protonique partiel………. 98

3.2. Distribution d’indice variable suivant la direction de propagation dans chacune des zones échangées………. 100

3.2.1. Profondeur d’échange protonique……...……….…….. 101

3.2.2. Valeurs des coefficients de diffusion par EP dans le Ti:LiNbO3………... 101

3.2.3. La profondeur de pénétration est une fonction de la largeur d’ouverture.. 103

3.2.4. Variation d’indice et effet du recouvrement de deux zones échangées... 104

4.1. Choix de la méthode……….. 109

4.2. Principe de la méthode matricielle: rappel……….. 109

4.3. Matrice d’une distribution d’indice constante dans la même zone………. 111

4.4. Matrice d’une distribution d’indice variable dans la même zone………... 112

4.5. Comparaisons entre les deux méthodes du calcul de l’indice effectif………… 112

a)- Recouvrement important entre les deux zones voisines d’EP……… 113

b)- Faible recouvrement entre les deux zones voisines d’EP……….. 114

5. Effets des paramètres de la microstructuration sur sa fonction de transfert.. 116

6. Changement d’indice effectif par effet électro-optique………... 118

6.1. Champ électrique moyen……… 118

6.2. Structure des électrodes……….. 119

7. Conclusion………... 120

8. Bibliographie du chapitre 3………... 121

Chapitre 4 : Technologies de fabrication et résultats expérimentaux

2. Processus de fabrication………. 125

2.1. La photolithographie………... 126

2.2. Conception des masques………... 126

2.2.1. Sans correction du rapport cyclique sur le masque photolithographique………... 127

2.2.2. Avec correction du rapport cyclique sur le masque photolithographique………... 128

2.3. Réalisations technologiques…………...………... 129

2.4. Réalisation du guide d’onde Ti:LiNbO3………... 133

2.5. L'échange protonique……….. 134

2.6. Le polissage……… 135

2.7. Les électrodes……….. 135

3. Microstructuration sur un substrat de LiNbO3 en coupe Z………... 136

4. Conclusion………... 138

5. Bibliographie du chapitre 4………... 138

i

Résumé court

Ce travail est consacré à l'étude et la réalisation de guides d’onde optiques distribués par échange protonique localisé dans un guide Ti:LiNbO3. La technologie mise en œuvre permet l’inscription, à travers un

masque reproduisant n’importe quel motif, de structures périodiques et apériodiques, dédiées à la réalisation de filtres accordables en longueur d’onde. Il est alors possible de contrôler les paramètres caractéristiques de la fonction de transmission et permettre ainsi la réalisation de structures à gabarits prédéfinis.

L’approche analytique proposée permet de calculer les constantes de propagation d’un guide présentant un profil d’indice de réfraction quelconque. Deux méthodes sont présentées. La première considère que l’indice effectif est constant suivant la direction de propagation dans chacune des zones de la micro-structuration, alors que la deuxième, plus conforme à la réalité, tient compte du fait que l'indice effectif varie dans chacune de ces zones suivant cette direction.

Les approches qui ont été développées ont permis notamment d’établir les limites de cette technologie.

ii

Summary

This work is dedicated to the study and the realization of distributed partially proton-exchanged Ti:LiNbO3 waveguides. The implemented

technology allows the inscription of periodic and aperiodic structures, through a mask reproducing any pattern. The application is dedicated to the realization of tunable wavelength filters. It is then possible to control the transmission function parameters and furthermore, allows the realization of structures presenting a predefined transfer function.

The proposed analytical approach allows calculating the propagation constants for an optical waveguide, presenting any refractive index profile. Two methods are presented. In the first one, we consider that the effective index is constant according to the propagation direction in each of the microstructuration zones, while in the second one, which is more realistic, we take into account the fact that the effective index in each of the exchanged zones varies according to this direction.

The approaches which were developed allowed notably establishing the limits of this technology.

iii

Résumé

Ce travail est consacré à l'étude et la réalisation de guides optiques distribués par échange protonique partiel (PPE, Partially Proton Exchange) localisé dans un guide de titane (Ti) diffusé dans un substrat de niobate de lithium (PPE-Ti:LiNbO3), permettant ainsi l’inscription à travers un masque

de structures périodiques et apériodiques, appelées souvent ‘structures de Bragg’. Le niobate de lithium est choisi comme substrat de base en raison de ses excellentes propriétés électro-optiques autorisant la réalisation de filtres optiques accordables et offre ainsi l’opportunité de contribuer au déploiement d’architectures optiques dynamiques. La simplicité et la maitrise du processus d’échange protonique permettent d’une part de reproduire n’importe quel motif à travers un masque et de contrôler les paramètres caractéristiques de la fonction de transmission du dispositif, d’autre part.

Nous proposons une approche analytique originale basée sur la méthode des rayons et la méthode de l’indice effectif, permettant de calculer les constantes de propagation des modes se propageant dans le guide. Elle sera utilisée pour calculer l’indice effectif relatif à n’importe quel profil d’indice, en particulier celui propre au guide distribué PPE-Ti:LiNbO3. Deux

méthodes de calcul numériques sont proposées. La première considère que l’indice effectif est constant suivant la direction de propagation dans chacune des zones de la micro-structuration, alors que la deuxième, plus conforme à la réalité, tient compte du fait que l'indice effectif de la zone échangée varie également suivant cette direction. L’effet du recouvrement entre les zones voisines de la structure, ayant subies le processus d’échange protonique, est pris en considération pour le calcul de sa fonction de transmission. Nous montrons que la technique d’échange protonique permet de contrôler, par exemple, la bande passante de la fonction de filtrage et ce par le biais des paramètres caractéristiques du processus d’échange.

Dans le cadre des réalisations expérimentales, nous montrons qu’une correction du rapport cyclique de la micro-structure, définissant le masque photolithographique, est obligatoire pour minimiser l’effet du recouvrement des zones échangées. Des simulations et des tests expérimentaux ont permis de montrer la faisabilité d’une telle implémentation pour des structures dédiées à un fonctionnement autour de λ = 1,55 µm. Les approches qui ont été développées ont permis notamment de discuter les limites de cette technologie pour la microstructuration.

Mots-clés : optique intégrée; micro-structuration; niobate de lithium, échange protonique.

Introduction générale

Le domaine des sciences et techniques de l’information a accompli un progrès spectaculaire durant toute la seconde moitié du vingtième siècle. La fin des années soixante était la période du développement de l’optique intégrée. Dès les premières années de ce siècle, on voit que l’optique intégrée a déjà occupé une place de choix. Elle est pressentie comme une alternative à la microélectronique.

L’effort croissant pour la miniaturisation, les hautes performances et l’abaissement du coût des dispositifs optiques ont fait émerger plusieurs thèmes de recherche dans le domaine de l’optique intégrée. En particulier, le filtrage en longueur d’onde et les différentes applications des réseaux de Bragg ont constitué l’un de ces thèmes les plus importants.

Aujourd’hui, le déploiement de systèmes de transmission "intelligents", dynamiques et transparents exigent la mise à disposition de dispositifs reconfigurables. Nous nous intéressons à l’étude et la réalisation d’un guide d’onde optique distribué par échange protonique sur un substrat de niobate de lithium (LiNbO3) dédié à la réalisation

de fonctions de filtrage large bande ou à bande étroite pour des applications du domaine des télécommunications, par exemple. L’accordabilité des filtres optiques étant une fonctionnalité importante, les fonctions de transmission des guides distribués qui font l'objet de ce travail de thèse peuvent être reconfigurables au moyen d’une tension de commande à travers des électrodes déposées à la surface de ces guides.

Le choix du LiNbO3 comme substrat de base a été guidé par ses exceptionnelles

potentialités électro-optiques, photo élastique, piézoélectrique et optique non linéaire. La diffusion du titane produit dans la maille cristalline de LiNbO3 un accroissement d’indice

qui crée des guides. L’échange protonique est un autre processus chimique qui permet de réaliser des guides par modification en surface des indices de réfraction du niobate de lithium. Par cette réaction chimique, l'indice extraordinaire du niobate de lithium est fortement augmenté, alors que l'indice ordinaire diminue légèrement. A l'entame des travaux de recherche effectués dans le cadre de cette thèse au sein du Laboratoire d'Optique qui a expérimenté l’échange protonique pour la réalisation de guides micro-structurés dédiés au filtrage en longueur d'onde, l’une des problématiques soulevées par ces premières expérimentations est la limitation de cette technologie pour la réalisation d'une telle fonctionnalité. Les paramètres opto-géométriques de la structure en font également partie.

La réalisation de telles structures et des fonctionnalités associées sur un tel substrat, dédié à la conception de composants optiques intégrés de haute technologie, passe par le développement d’une méthode analytique dédiée, dans le cadre de cette

thèse, à l'implémentation de guides optiques réalisés par diffusion de titane (Ti) dans lesquels des échanges protoniques localisés ont été effectués à travers un masque. On parle alors de guides optiques distribués prédéfinis (Tailored Distributed Optical Waveguide). La microstructuration de ces guides pour des applications liées au filtrage en longueur d'onde nous permet de définir, ou de pré-sentir les limites de cette technologie.

L'originalité du travail s’inscrit également par le développement d’une méthode analytique dédiée aux calculs des indices effectifs et de la réflectivité d'un guide optique ayant un profil d’indice quelconque obtenu par diffusions et/ou recuits multiples, en particulier ceux qui sont réalisés par diffusion de titane dans un substrat de LiNbO3 (Ti:

LiNbO3) et micro-structurés par échange protonique. Cette approche a permis de mettre

au point un modèle permettant de tenir compte des spécificités de l'échange protonique et de discuter ainsi des limitations de cette technologie.

Le choix de la réalisation d’un guide distribué PPE-Ti:LiNbO3 est justifié tout

d’abord par la simplicité du processus chimique d’échange protonique permettant de réaliser de fortes variations de l’indice de réfraction extraordinaire, en reproduisant n’importe quel motif désiré à travers un masque. Ensuite, par la simplicité de réalisation de n’importe quelle structure d'électrodes à la surface du guide, maitrisant l’accordabilité du filtre en longueur d’onde réalisé par cette technique. De plus, grâce à cette technique, nous pourrons résoudre le problème d’alignement des cavités pour un filtre accordable à double cavité Fabry-Pérot où les deux miroirs pourront être réalisés sur le même substrat, en s'affranchissant ainsi de la réalisation de deux cavités résonnantes distinctes à base de multicouches diélectriques. Enfin, l’intérêt majeur de l'approche proposée réside dans la possibilité de réaliser des fonctions prédéfinies, dédiées à des applications diverses dans le domaine des télécommunications. Ces aspects constituent les motivations principales des travaux effectués dans le cadre de cette thèse et exposés dans ce manuscrit

Ce mémoire s'articule autour de quatre chapitres.

Le premier est consacré à la description des techniques de multiplexage dans les réseaux de télécommunications ainsi que certaines des applications dédiées aux architectures de transmission. Nous présentons quelques composants et fonctionnalités pour les systèmes WDM (Wavelength Division Multiplexing), basés sur les réseaux de Bragg comme l’insertion/extraction de longueur d'onde, les compensateurs de dispersion et surtout les filtres de fréquences optiques. Nous présentons également un état de l’art sur les techniques de réalisation des guides d’onde optiques ainsi que les différentes méthodes de calcul de l’indice effectif adaptées à ces techniques. Nous introduirons la notion de guide d’onde distribué par échange protonique sur un guide d'onde Ti:LiNbO3.

Le deuxième chapitre est consacré à la justification du choix du niobate de lithium comme substrat de base, en présentant de manière non exhaustive ses propriétés et ses

applications. On y traitera également des guides optiques réalisés soit par diffusion de titane soit par échange protonique. On présente à la fin de ce chapitre le guide distribué et l’effet du recuit.

Dans le troisième chapitre, qui constitue le cœur de ces travaux, nous développons plusieurs méthodes numériques du calcul de l’indice effectif et de la réflectivité adaptées au guide d’onde distribué. Dans un premier temps, la méthode des rayons est utilisée pour calculer les indices effectifs des modes se propageant dans un guide plan. Deux généralisations de la méthode des rayons sont proposées. Elles sont d’un grand intérêt pour ce qui concerne la modélisation des guides micro-structurés qui font l’objet de ce travail. La première consiste à généraliser la méthode des rayons au cas d’un profil d’indice quelconque. L’idée consiste à échantillonner le profil d’indice en plusieurs parties. Chaque partie peut être modélisée par la méthode des rayons en utilisant des valeurs d’indice de réfraction fictives à la surface du guide. La somme de ces parties reconstruit alors le profil d’indice initial. La seconde, qui est en fait un cas particulier de la première, permet de rendre compte des propriétés d’un guide d’onde obtenu par diffusions multiples. En ce qui concerne ce travail, la méthode est explicitée pour une diffusion de Titane (élaboration du guide d’onde) suivie d’un échange protonique (définition du réseau de Bragg). Ensuite, la modélisation du comportement d’un guide enterré micro-structuré est présentée en appliquant la méthode des indices effectifs. Pour rendre ces simulations tout à fait réalistes, les aspects propres à la physique d’échange protonique le long de la direction de propagation sont pris en compte et permettront dans la suite de parfaitement décrire la réflectivité des réseaux de Bragg. La réflectivité des structures est calculée en utilisant le formalisme d’Âbelès. Ce formalisme est appliqué pour montrer la perte de modulation d’indice qui peut être observée et qui peut être due à différents facteurs (rapport cyclique de la structure, procédé expérimental de l’échange protonique et du recuit…). Une étude sur le contrôle de la bande passante des filtres de Bragg est également présentée. Ce contrôle peut être obtenu en jouant sur les variations d’indice, la périodicité et l’ordre de fonctionnement. Un exemple de double réseau de Bragg est proposé. La méthode consiste à réaliser deux réseaux juxtaposés afin d’obtenir deux fenêtres de réflectivité. Enfin, la méthode d’accord en longueur d’onde de la réflectivité par voie électro-optique est présentée dans la dernière partie de ce chapitre.

Enfin, le dernier chapitre sera consacré à la réalisation des structures et aux comparaisons entre les résultats des simulations et les résultats expérimentaux pour une configuration bien définie du guide distribué. Les procédés technologiques sont décrits et des considérations sur des corrections du rapport cyclique des structures sont discutées. Elles permettent de tenir compte de la diffusion non isotrope dans le sens de la propagation de l’échange protonique dans le niobate de lithium. Tout ceci permet de

concevoir judicieusement le masque de lithographie destiné à l’échange protonique. Différentes structures ayant des paramètres caractéristiques spécifiques, tels que la longueur, la période, le rapport cyclique de la microstructuration, ont été réalisées. Le masque mis en œuvre a permis par ailleurs la réalisation de structures apériodiques et d'un filtre à deux longueurs d’ondes. Les résultats expérimentaux sur la géométrie des zones d’échange protonique obtenues montrent la nécessité de corriger le rapport cyclique des structures dès la conception du masque de photolithographie. Enfin, une comparaison entre les résultats obtenus par les méthodes numériques développées durant cette thèse et le comportement expérimental d’un guide micro-structuré réalisé il y a quelques années est présentée et discutée.

Chapitre 1

Multiplexage et démultiplexage en longueur

d’onde

1. Introduction

Ce chapitre a pour but de présenter le contexte dans lequel s’inscrit ce travail de thèse. Pour commencer, nous présentons les réseaux de télécommunications et les techniques de multiplexage en longueur d’onde, ainsi que les composants et fonctionnalités dédiés aux architectures WDM (pour Wavelength Division Multiplexing) comme les multiplexeurs d’insertion/extraction, le filtre en longueur d’onde, considéré comme un élément essentiel des systèmes utilisant le multiplexage en longueur d’onde, et les compensateurs de dispersion.

Ensuite, nous présentons les réseaux de Bragg (définition, concept, modélisation, …) ainsi que leurs types et applications.

Enfin, nous faisons un état de l’art des différentes applications, des technologies mises en œuvre pour la réalisation des guides optiques, ainsi que des méthodes de calcul adaptées à ces technologies. Nous présentons brièvement le guide distribué par échange protonique et la méthode proposée pour le calcul de l’indice effectif d’une telle structure.

Cet état de l’art nous offre l’occasion de motiver les travaux qui ont été effectués dans le cadre de cette thèse et de présenter les grandes lignes du travail qui a été mené.

2. Les réseaux de télécommunications

L’intérêt des télécommunications optiques multiplexées en longueur d’onde porte sur plusieurs domaines. D’une part, elles permettent l’utilisation complète de la bande passante disponible dans les fenêtres de faible absorption de la fibre optique monomode, d’autre part, le multiplexage en longueur d’onde constitue un mode d’adressage dans les réseaux optiques.

Après un rappel succinct sur les techniques de multiplexage, nous présentons une vue générale des réseaux de télécommunications. Nous introduirons, par la suite, les différentes architectures envisagées pour les réseaux multiplexés en longueur d’onde.

2.1. Les techniques de multiplexage

Les systèmes de communications point-à-point étaient initialement conçus en affectant, à chaque couple émetteur/récepteur, un canal de transmission "physique". Afin d’augmenter, en pratique, la capacité des réseaux et d'optimiser l'utilisation des ressources fréquentielles, différentes techniques de multiplexage ont fait leur apparition. Le multiplexage par répartition de codes (CDM pour Code Division Multiplexing), est la technique de multiplexage la plus récente. Le multiplexage en fréquence (ou fréquentiel) (FDM pour Frequency Division

Multiplexing), le multiplexage temporel (TDM pour Time Division Multiplexing), et le multiplexage en longueur d'onde (WDM), sont des techniques de multiplexage déjà mises en place dans les systèmes optiques.

2.1.1. Le multiplexage par répartition de codes

Dans la technique de multiplexage par répartition de codes (CDM), les utilisateurs partagent le même espace fréquentiel et transmettent sur les mêmes intervalles temporels. Il s’agit, dans ce cas, d’affecter à chaque émetteur un code, appelé aussi signature ou encore séquence de code, qui lui permet de transmettre des informations en évitant d’interférer avec les messages provenant d’autres utilisateurs [1].

La figure 1.1 schématise la répartition des utilisateurs sur la bande de fréquence et dans le temps en fonction de la distribution des séquences de codes.

Figure 1.1 Multiplexage par répartition de codes

Le CDM permet aux différents utilisateurs de transmettre leurs données sur n’importe quelle fréquence et sans nécessiter de synchronisation entre eux. En effet, la capacité de multiplexage du CDM n’est pas limitée par des paramètres physiques (intervalles de temps disponibles, fréquences ou longueurs d’ondes utilisables, etc.) mais par la capacité à générer un maximum de séquences de codes, celles-ci étant choisies de manières à minimiser les interférences de multiplexage.

Les séquences de codes utilisées dans les systèmes CDM sont composées d'une série d'impulsions nommées "chips" afin d'être distinguées des "bits" qui composent une séquence de données.

2.1.2. Le multiplexage fréquentiel

Le multiplexage fréquentiel (FDM) est une technique utilisée pour accroître les débits sur les paires torsadées et plus particulièrement les lignes téléphoniques (Figure 1.2). Le FDM consiste à transmettre les signaux provenant de N utilisateurs différents sur des bandes de fréquences distinctes. Cela consiste à partager la bande de fréquence disponible, en un certain nombre de canaux ou sous-bandes plus étroites, et à affecter en permanence chacun de ces canaux à un utilisateur ou à un usage exclusif [2].

Figure 1.2 Exemple de multiplexage fréquentiel de quatre canaux téléphoniques

2.1.3. Le multiplexage temporel

Le multiplexage temporel (TDM) consiste à affecter à un utilisateur unique la totalité de la bande passante pendant un court instant et à tour de rôle pour chaque utilisateur (Figure 1.3). Il permet de regrouper plusieurs canaux de communications à bas débits sur un seul canal à débit plus élevé.

Figure 1.3 Schéma de principe d’un multiplexage à répartition dans le temps

Le TDM constitue une chaîne de bits de débit (N x D) à partir de N canaux de débit D, en prenant successivement les premiers bits de chacun des canaux, puis les seconds, etc. Le signal résultant est la combinaison des différents canaux codés individuellement et décalés temporellement au moyen de lignes à retard optiques. L'allocation des intervalles de temps aux différents utilisateurs se fait de manière cyclique. Il est donc possible de caractériser un système TDM par la durée d'un intervalle de temps TS, la durée d’un cycle (TTDM) et le

2.1.4. Le multiplexage en longueur d’onde

A l’inverse de la technologie TDM qui n’utilise qu’une seule longueur d’onde par fibre optique, la technologie WDM met en œuvre un multiplexage de plusieurs longueurs d’onde. L’idée est d’injecter simultanément dans une fibre optique plusieurs trains de signaux numériques portés par des longueurs d’ondes distinctes. Le WDM est une technique largement utilisée en communications optiques et qui met en œuvre à l'entrée du support de transmission un multiplexeur (MUX) dédié au regroupement des porteuses et sa sortie un démultiplexeur (DEMUX) permettant leur séparation. Les opérations de multiplexage et démultiplexage sont symétriques lorsqu'elles sont réalisées au moyen de dispositifs passifs. (Figure 1.4).

Figure 1.4 Schéma synoptique d'une transmission multiplexée en longueur d’onde

Le WDM est une transposition du multiplexage fréquentiel dans les systèmes de communications optiques. De la même manière qu’en FDM, dans un système WDM, des séquences de données modulent plusieurs lasers de longueurs d’ondes différentes. Les résultats de ces modulations sont transmis sur une même fibre optique par l’intermédiaire d’un multiplexeur. Pour recouvrer les données émises, un filtre optique permet, en réception, la sélection de la longueur d’onde correspondant au signal à restituer.

Les équipements de démultiplexage peuvent être des équipements passifs, ceux utilisant un réseau de diffraction, par exemple. Ils agissent comme des filtres en sélectionnant le signal dans une plage de longueur d'onde donnée. Le multiplexage en longueur d'onde sur une fibre n'augmente pas la bande passante de la fibre mais est plutôt la solution économique qui permet de tirer profit de la capacité de celle-ci.

La fibre optique de type monomode se prête bien à ce type d’usage car sa bande passante est très élevée. Elle présente donc un fort potentiel au multiplexage de très nombreux canaux sur de longues distances.

L’espacement minimal entre deux porteuses est fixé par le taux de diaphonie (crosstalk) entre deux canaux voisins. Il tient compte d'une part du fait que les spectres générés par la modulation des canaux ne doivent pas se recouvrir et des tolérances au niveau des démultiplexeurs d'autre part (taux de réjection des canaux avoisinants, précision sur la longueur d’onde des porteuses, interactions entre canaux induites par les effets non linéaires dans les fibres, etc. On parle, pour les architectures WDM, de densité spectrale d'information ou d'efficacité spectrale, rapport entre le débit et l'espacement entre canaux, mesurée alors en bit/s.Hz.

Commercialement, le développement de cette technique a été lié à la gamme de longueur d’onde où les amplificateurs optiques à fibre présentent un gain suffisant et spectralement uniforme.

2.2. Les réseaux optiques

La généralisation du multiplexage en longueur d’onde paraît inévitable en ce qui concerne les réseaux de communication. Plusieurs architectures sont envisageables : les réseaux fixes, où les émetteurs sont reliés à un certain nombre de récepteurs mais aucune modification des interconnections établies n’est possible, et les réseaux adressés en longueur d’onde ayant une plus grande flexibilité au niveau des interconnections en utilisant la longueur d’onde comme système d’adressage des informations.

2.2.1. Les réseaux WDM fixes

La transmission WDM point-à-point est la première catégorie d’architecture. Elle consiste à accroître la capacité de transmission d’une fibre en augmentant le nombre de porteuses optiques utilisées [3]-[5]. La seconde génération de réseaux optiques prend en compte la mise en place de connexions entre plusieurs nœuds du réseau. Elle est fondée sur l’existence des coupleurs qui sont des composants optiques capables de combiner ou d’extraire plusieurs faisceaux de lumière d’une fibre. Ce type d’installation étant fixé, on parle de réseaux optiques passifs (PON pour Passive Optical Network) [6]-[10].

2.2.2. Les réseaux WDM adressés en longueur d’onde

L’intérêt des réseaux WDM fixes est de pouvoir exploiter de manière plus efficace la bande passante offerte par l’introduction des amplificateurs optiques dans le réseau (Figure 1.5). Néanmoins, le déploiement à grande échelle est limité (faible nombre de nœuds) et ne peut bénéficier de la réorganisation. La méthode présentée dans ce paragraphe, appelée routage en longueur d’onde, vise à combler ces deux lacunes. La flexibilité de l’interconnexion obtenue dépend des technologies des routeurs et de sources optiques mises en place.

2.2.2.1. Généralités

Afin de s’affranchir des inconvénients majeurs des réseaux optiques passifs, tout en préservant la fonction d’interconnexion, il convient d’établir des liaisons spécifiques d’un nœud vers un autre. Le type de liens mis en place permet de distinguer les réseaux ‘‘singlehop ’’, où chaque nœud n’est connecté qu’à ses voisins directs, des systèmes ‘‘multihop’’, où les informations peuvent circuler via un ou plusieurs nœuds intermédiaires. Dans les deux cas, la technique dite de routage en longueur d’onde est applicable. Elle consiste à envisager que la longueur d’onde, utilisée comme vecteur des informations, définisse aussi le chemin emprunté entre l’émetteur et le récepteur. Ainsi, si plusieurs signaux sont émis d’un même nœud, ils peuvent, chacun, rejoindre une destination différente. A un instant donné, le nombre de destinations est alors égal au nombre de longueurs d’onde émises en chaque nœud.

La mise en place du routage en longueur d’onde requiert l’installation, en plus des sources optiques de longueur d’onde précise, de composants sélectifs en longueur d’onde aux différents nœuds du réseau fibré :

- les multiplexeurs optiques à insertion/extraction (OADM pour Optical Add-Dropp Multiplexer) qui prélèvent un signal à une longueur d’onde fixée et permettent l’insertion d’un nouveau message en employant la même longueur d’onde. Ils seront détaillés dans le paragraphe suivant.

- les routeurs (OXC pour Optical Cross Connect) ou répartiteurs/brasseurs. Ils effectuent la commutation d’un signal de longueur d’onde donnée arrivant sur une certaine fibre, vers une fibre de sortie. Leur architecture utilise des MUX/DEMUX positionnés dos-à-dos (Figure 1.6).

Figure 1.6 Architecture simple d’un routeur optique.

Contrairement aux réseaux fixes, quelque soit l'architecture utilisée (singlehop ou multihop), on peut réutiliser une longueur d’onde en plusieurs parties distinctes du réseau. Le système est donc toujours adaptable à grande échelle. Pour utiliser au mieux le potentiel d’un réseau, il est important de pouvoir modifier au gré du temps et des besoins la mise en place des connexions. Cette flexibilité, appelé aussi reconfigurabilité, vise à optimiser l’allocation des longueurs d’onde au niveau de chaque nœud en fonction du trafic véhiculé.

2.2.2.2. Les réseaux statiques

Ces réseaux ont été élaborés pour les réseaux étendus (WAN pour Wide Area Network). Les architectures présentent un nombre limité de points d’accès connectés de façon définitive à une structure en anneau ou à une liaison en ligne. De plus, les trafics considérés sont de haut niveau et subissent de faibles variations de flux. En effet, l’agrégation d’un très grand nombre de signaux moyenne les fluctuations introduites par chacun d’entre eux. La reconfiguration du réseau n’apparaît donc pas comme un critère de première importance. C’est pourquoi, dans un premier temps, les OXC et OADM installés ne possèdent aucune flexibilité au niveau optique. Les opérations de routage en longueur d’onde et d’insertion/extraction s’effectuent alors grâce au câblage physique et à des composants passifs. La technologie la plus utilisée pour fabriquer ces OXC et OADM est basée sur les phasars ou AWG (pour Arrayed Waveguide Grating). Ces composants sont en fait des routeurs de M longueurs d’onde circulant sur N fibres. Les opérations de multiplexage/démultiplexage sont obtenues en utilisant un phasar avec une seule entrée et N sorties (de N vers 1 pour le multiplexage et dans l’autre sens pour le démultiplexage). C’est pourquoi, le phasar est aussi appelé multiplexeur/démultiplexeur à réseaux de guides. Obtenir un OADM fixe consiste alors à connecter les sorties d’un DEMUX aux entrées d’un MUX sauf pour les longueurs d’onde qu’on souhaite extraire/insérer comme illustré sur la (Figure 1.7).

Figure 1.7 OADM fixe

2.2.2.3. Les différents standards WDM

Lorsque l'espacement entre les longueurs d'onde est de 20nm, on parle de CWDM (Pour Coarse Wavelength Division Multiplexing). L'avantage du CWDM est son coût. En effet, grâce à l'espacement important laissé entre les canaux, il n'est pas nécessaire, par exemple, de réguler en température le laser d'émission. Par contre, on est limité à 7 canaux.

Pour un espacement plus faible, donc un nombre élevé de longueurs d'onde disponible simultanément, on parle de DWDM (Pour Dense Wavelength Division Multiplexing) où l’espacement entre canaux est de 0.4 nm. Pour le standard UDWDM (Pour Ultra Dense Wavelength Division Multiplexing), l’espacement entre canaux est de 0.2 nm [11]. Les espacements entre canaux pour les systèmes DWDM commerciaux sont d'environ 0.8 nm (100 Ghz), 0.4 nm (50 Ghz). Il est ainsi possible de combiner 160 longueurs d'onde optiques et plus.

Rappelons que la fibre optique monomode standard présente trois fenêtres spectrales de transmission. Deux d’entre elles (la deuxième et la troisième) sont caractérisées par de faibles atténuations (< 1dB/Km) : la deuxième fenêtre centrée autour de la longueur d’onde de 1300nm, avec des pertes de l’ordre de 0.5 dB/Km, et la troisième fenêtre (bandes ‘S+C+L’) qui est située autour de la longueur d’onde de 1550 nm avec des pertes théorique de l’ordre de 0.18 dB/Km. C’est autour de ces deux fenêtres à faibles atténuations qu’a lieu le multiplexage en longueur d’onde. Ces deux fenêtres sont découpées en six bandes : O [1260 - 1360] nm, E [1360 - 1460] nm, S [1460 - 1530] nm, C [1530 - 1565] nm, L [1565 - 1625] nm et U [1625 - 1675] nm. Tout cela sans compter NTT qui offre désormais une nouvelle ouverture en ayant réalisé la transmission de 8 canaux entre 1467 et 1478. La norme ITU-T G962 définit la plage de longueurs d’ondes dans la fenêtre de transmission de la bande C [1530 - 1565] nm (Figure 1.8). C'est le spectre amplifié par les amplificateurs à fibre dopée Erbium appelés communément EDFA (Pour Erbium Dopped Fiber Amplifier). L’espacement normalisé entre deux longueurs d’ondes est de 1,6 ou 0,8 nm.

Figure 1.8 Peigne des fréquences pour le DWDM

Malgré des tentatives audacieuses exploitant les solitons par exemple, cette technologie reste la seule déployée sur les réseaux télécoms longue portée et même métropolitain qui sont caractérisés de la façon suivante:

- Segment WDM longue portée ("Long Haul")

• Technologie WDM employée: DWDM.

• Applications: grandes artères sur des longues distances (> 100 Km).

• Topologie: point à point, avec un nœud de régénération ou un multiplexeur optique d'insertion/extraction tous les 80Km environ.

• Interfaces: débits les plus élevés possibles (2.5 ou 10 Gbit/s). - Segment WDM métropolitain ("Metro")

• Technologies WDM employées: CWDM et DWDM.

• Applications: liaisons entre les établissements d'une entreprise, boucles optiques au niveau d'une agglomération, distance typiquement inférieure à 100 km.

• Topologie: point à point, boucle ou maillage. Généralement sans nœud de régénération ou d'amplification.

• Interfaces: diverses (interfaces numériques SONET/SDH pour Synchronous Digital Hierarchy haut et bas débit, Gigabit, Ethernet, Fibre Channel).

3. Composants et fonctionnalités dédiés aux architectures WDM

Dans cette partie, nous allons passer en revue les principales structures dédiées au filtrage optique accordable en longueur d’onde ainsi que les différents types de multiplexeurs/ démultiplexeurs.

3.1.Le multiplexeur optique d'insertion/extraction reconfigurable

Le multiplexeur optique d'insertion/extraction reconfigurable (ROADM pour Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer) est une technologie matérielle (et non logicielle), facilitant la gestion des réseaux internet et abaissant les coûts de mise à niveau et de reconfiguration de ceux-ci (Figure 1.9). Cette technologie permet aux fournisseurs de services de définir et de reconfigurer les longueurs d'onde à distance. Cette possibilité leur permet d'optimiser leurs coûts d'exploitation et de réduire fortement les déplacements sur le terrain pour mettre à jour et assurer la maintenance des réseaux métropolitains et régionaux.

Figure 1.9 Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer [12]

Le ROADM a été créé afin de faciliter la planification et les processus de fourniture de circuits optiques sur un anneau WDM. Cela remplace ce qui était auparavant un processus manuel, avec une faible marge d'erreur, et donne la flexibilité d'effectuer les changements en temps réel, et donc, cela permet la reconfiguration du réseau en fonction de son état ou des besoins des clients. Certaines technologies ROADM peuvent être étendues au-delà des réseaux en anneau et s'appliquer dans des réseaux maillés.

Dans un ROADM, des longueurs d’onde sélectionnées peuvent être insérées ou extraites grâce à des commandes activées depuis un système de gestion de réseau centralisé (NMS pour Network Management System), et une technologie dynamique de blocage ou de sélection de longueur d’onde utilisée dans le ROADM pour filtrer le trafic d’insertion/extraction.

Ce qui distingue spécifiquement le ROADM, c'est que la commutation est effectuée en optique, sans conversion du signal à un état électronique.

Les ROADM présentaient des limitations notables en raison de leur caractère analogique, notamment en termes de gestion, de multiplexage en sous-longueurs d’onde et de capacité à exploiter pleinement le plan de commande (GMPLS pour Generalized Multi-Protocol Label Switching). Toutefois, une nouvelle classe de ROADM, reposant sur la technologie numérique, a émergé afin de surmonter ces obstacles.

3.2.Le Filtre en longueur d’onde

3.2.1. Généralités

Les filtres en longueur d’onde ont connu une évolution assez importante durant ces dernières années. La première génération utilise des éléments discrets, tels que prisme, réseau et couches diélectriques, dont la juxtaposition permet d’obtenir la fonction de filtrage désirée [13]. Puis, les composants à ondes guidées sont apparus, tout d’abord à base de guides plans [14], puis à partir de guides canaux. Les recherches restent nettement orientées vers ces composants à guides canaux, intéressants soit par leurs possibilités d’intégration, soit par leur faible coût. Les performances s’orientent vers de très faible bande passante de filtrage grâce aux progrès sur les lasers mono-fréquence à spectre d’émission stabilisé.

Une liaison multi-longueurs d’onde, appelée classiquement liaison WDM, est caractérisée par le nombre de canaux disponibles, l'espacement entre les canaux et le taux d’isolation des canaux. La sélectivité en longueur d’onde du filtre et la largeur spectrale du signal modulant déterminent la largeur des canaux. L’espacement en longueur d’onde ou en fréquences entre signaux est défini par la largeur des canaux et le taux de réjection du filtre, pour un taux d’isolation donné. Les performances des lasers et des filtres doivent concorder et être ajustées aux caractéristiques des liaisons mises en œuvre.

On doit pouvoir disposer de filtre en longueur d’onde aussi étroit que possible. On cherche à rassembler le plus grand nombre de canaux possibles sur la fibre, mais avant tout, la largeur spectrale du signal en réception est déterminée par les performances du laser. L’avènement du laser à contre-réaction distribué (DFB pour Distributed Feed Back), a rendu possible le fonctionnement mono-fréquence des émetteurs. Dans le cas des transmissions numériques, une liaison doit présenter un taux d’isolation des canaux suffisant et le taux de réjection du filtre doit être choisi en conséquence.

Les filtres en longueur d’onde peuvent sélectionner plusieurs canaux. On distingue entre les filtres séparant spatialement les différentes longueurs d’onde(Figure 1.10-a),qui peuvent être détectées simultanément, et les filtres passe-bande en longueur d’onde qui permettent d’avoir accès à un seul canal à la fois, et qui sont, soit accordables en longueur d'onde sur une plage suffisante (Figure 1.10-b), soit mis en cascade avec d’autres filtres (Figure 1.10-c).

De nombreuses études sont menées pour mettre au point des composants optiques permettant de faire du démultiplexage à très haut débit. Ces composants doivent être capables de séparer les différentes longueurs d’onde, c’est à dire de filtrer de façon extrêmement sélective avec une grande précision la porteuse dédiée qui se propage dans la fibre. Il existe pour cela différents types de filtres.

La première catégorie repose sur le principe de la diffraction : un objet diffractant, le plus souvent un réseau, est utilisé pour disperser les longueurs d'onde du signal selon différentes directions (Figure 1.11). Une fibre optique positionnée dans chacune de ces directions recueille le signal démultiplexé.

Figure 1.11 Filtrage/démultiplexage par réseau de diffraction

Une autre approche consiste à utiliser le principe de la réflexion sélective. Le filtre est constitué d'un empilement de couches diélectriques dont les indices de réfraction optique, alternativement haut et bas, et les épaisseurs sont en accord de phase avec la longueur d'onde contra-propagatrice filtrée (Figure 1.12). Celle-ci peut être couplée dans une fibre distincte.

D’autres structures de filtrage utilisent également le principe de la réflexion sélective. Ce sont les filtres résonnants à modes guidés qui sont constitués de l’association d'une couche guidante et d'un réseau inscrit à la surface du guide (Figure 1.13). Un faisceau incident sur la structure excite, grâce au réseau, un mode guidé qui se propage dans le guide d’onde. Les conditions d’excitation du mode guidé dépendent, entre autres, de la longueur d’onde du faisceau incident. Elles ne sont donc vérifiées que pour une longueur d’onde bien déterminée. Ces filtres présentent l’avantage d'avoir très peu de perte.

Figure 1.13 Schéma de principe d’un filtre résonnant à modes guidés

Le tableau ci-dessous résume les spécifications classiques d’un filtre optique:

N Nombre de canaux pouvant être adressés.

Taux Taux d’accord; variation de la longueur de réglage pour déplacer la longueur d’onde filtrée de δλ (mA, V, /canal). Réjection Taux de réjection minimal entre canaux (dB)

λ0 Longueur d’onde centrale du filtre.

∆λ Plage d’accord (nm).

δλ Bande passante à mi-hauteur.

Polarisation Sensibilité à la polarisation (faible, moyenne, forte). τ Temps de commutation entre canaux (ns).

Pertes Pertes optiques (dB). Robustesse/ contraintes

mécaniques, thermiques,…

(Faible, moyenne, forte).

Simplicité d’utilisation (Simple, moyenne, forte). Simplicité de fabrication (Simple, moyenne, forte).

Tableau 1.1 Spécifications d'un filtre optique.

3.2.2. L'accordabilité en longueur d’onde des filtres optiques

Les travaux de recherches se multiplient sur les filtres optiques reconfigurables en longueur d'onde (il s'agit de déplacer dans le domaine spectrale le maximum de la fonction de filtrage) sur une large bande optique disponible et dans des temps compatibles avec la

commutation de paquets optiques. Pour un filtre accordable en longueur d’onde par effet électro-optique, la tension d’accord permet de décaler de la largeur à mi-hauteur δλ, la réponse spectrale du filtre, centrée à la longueur d’onde centrale du filtre λo. On utilise ce

filtre pour la réalisation d'architectures de commutation et de routage de paquets optiques (Figure 1.14), ou de "Buffers" rapidement sélectionnables (Figure 1.15), pour garantir la qualité de service requise dans les réseaux de télécommunication optiques voulant supporter l’internet par exemple. Ainsi l’objectif est de réaliser un module optique sans pertes, capable de commuter d’un canal à l’autre en quelques nanosecondes, en assurant la fonction de filtrage en longueur d’onde sur plusieurs canaux.

Figure 1.14 Schéma d'un commutateur optique utilisant la dimension spectrale pour une sélection spatiale.

Figure 1.15 Schéma d'un ‘Buffer’ accordable.

La figure 1.16 présente un exemple de structure permettant d'assurer une accordabilité rapide sur un nombre important de canaux et en accord avec le caractère discret de la grille de longueur d'onde (recommandation ITU). Il s’agit d’une structure filtrante constituée d'un couple multiplexeur/démultiplexeur en longueur d'onde à réseau de guides associé à des amplificateurs optiques à semi-conducteurs (SOA pour Semi-conductor Optical Amplifier) monolithiquement intégrés sur InP. L'utilisation d'un SOA assurera un fonctionnement sans pertes optiques avec des temps de commutation faibles. C’est ainsi que ce type de filtre

accordable en longueur d'onde offre d’excellentes propriétés en termes de temps d'accord notamment les rendant ainsi fortement attrayants pour des applications dédiées aux réseaux de télécommunications utilisant la technologie WDM. Ceci fera l'objet du paragraphe qui suit.

Figure 1.16 Schéma de principe du sélecteur de longueur d'onde

3.2.3. L'interféromètre Fabry-Pérot

L'interféromètre Fabry-Pérot est un interféromètre optique constitué de deux surfaces partiellement réfléchissantes planes à haut coefficient de réflexion (souvent supérieurs à 95 %) (Figure 1.17). La lumière entrante effectue de multiples allers-retours à l'intérieur de cette cavité, et ressort partiellement à chaque réflexion.

Figure 1.17 Modèle ‘de rayons’ pour un Fabry-Pérot simple

Les rayons lumineux sortant par la deuxième surface aux points b et c n'ont pas parcouru la même distance (ou chemin optique). Ainsi, ils présentent un déphasage φ l'un par rapport à l'autre, dépendant de l'angle θ. Ces deux rayons interfèrent entre eux ainsi qu'avec tous les autres rayons qui auront subi une réflexion multiple entre les deux interfaces. La transmittance est donnée par l'expression suivante,

(

)

ϕ

dans laquelle θ

λπ

ϕ =2 .2.nl..cos est la différence de phase subie par la lumière après un aller-retour dans l'étalon, R est le coefficient de réflexion de chaque interface, n et l sont l'indice de réfraction et l’épaisseur du milieu présent entre les deux surfaces réfléchissantes, respectivement, et θ est l'angle d'incidence interne.

Les différents rayons lumineux sortants interfèrent entre eux de manière constructive, seulement si la différence de phase entre deux rayons consécutifs est un multiple entier de 2π. Il se comporte comme un filtre puisque la différence de phase dépend de la longueur d’onde. Le nombre de rayons qui contribuent de manière significative aux interférences est significatif si le milieu placé entre les deux interfaces est à faibles pertes et que ces interfaces soient à haute réflectivité (HR). Dans ce cas, la condition d’accord de phase ne peut être respectée que pour un nombre discret de longueurs d’onde. La transmittance en fonction de λ présente des pics de largeur ∆λ et espacés de δλ (Figure 1.18).

Figure 1.18 Transmission spectrale T d'un interféromètre de Fabry-Pérot.

Cette courbe varie en fonction de l'angle θ : à chaque longueur d'onde correspond un système d'anneaux. Et en présence de plusieurs longueurs d'ondes, on peut comparer ces différents systèmes d'anneaux afin de mesurer les longueurs d'ondes. Cet interféromètre est donc utilisé en spectrométrie. Pour pouvoir mieux séparer les différents anneaux, il est intéressant qu'ils soient les plus fins possibles, et donc affiner les pics de la courbe précédente, c'est-à-dire à réduire ∆λ par rapport à δλ. Ainsi, un interféromètre est caractérisé par sa finesse donnée par

λ δλ

∆ =

F et il sera d'autant plus discriminant que sa sa finesse est

élevée. Afin d'augmenter cette finesse, il est possible de rendre les surfaces formant la cavité très réfléchissantes puisque la finesse augmente avec le coefficient de réflexion des surfaces.

Les filtres Fabry-Pérot en "optique massive" utilisent souvent les cristaux liquides en tant que milieu intra-cavité. Ils offrent une bonne transparence et la possibilité d’obtenir, en vue de l'accordabilité, une forte variation d’indice qui est approximativement égale à la différence entre les indices ordinaire et extraordinaire du cristal. Il faut noter que tous les filtres Fabry-Pérot sont affectés de la contrainte liée à la gamme d’accord qui est limitée par l’intervalle spectral libre (ISL) de l’étalon.

Sur la figure 1.19, on montre ce type de filtre Fabry-Pérot où deux étalons sont mis en cascade : l’un est très court, imposant un intervalle spectral libre, alors que l’autre est plus long, imposant sa bande passante.

Figure 1.19 Double Fabry-Pérot à cristal liquide.

Le défaut majeur des cristaux liquides pour certaines applications, comme par exemple dans le domaine de la commutation de paquets [15], est le temps de commutation relativement long [16].

Il existe également d’autres solutions pour réaliser un accord en longueur d’onde. Sur le Fabry-Pérot de la figure 1.20, tous les éléments sont réalisés par dépôt de couches minces [17].

Figure 1.20 Fabry-Pérot par dépôt de couches minces

Les miroirs sont des couches λ /4 en ZnS/ThF4, alors que la cavité est une couche en ZnS

d’épaisseur 25xλ. L’accord est de nature thermo-optique. L’avantage de ce type de structure est la possibilité de réaliser des cavités très courtes, et par conséquent offrant des ISL importants et donc des plages d'accordabilité significatives. Les miroirs utilisés sont en fait des miroirs de Bragg.

En optique guidée (Figure1.21), on utilise comme étalon Fabry-Pérot une structure de miroirs semblables à celle du filtre précédent. On appelle l’ensemble, constitué d'un guide d'onde et de deux réseaux de Bragg, étalon Fabry-Pérot à réflecteurs de Bragg. Cette structure est préférée en technologie intégrée [18] car elle est plus facile à fabriquer. Elle constitue en outre la cavité des diodes laser DBR.

Figure 1.21 Fabry-Pérot en optique guidée.

Le même dispositif peut également être mis en œuvre sur fibre optique [19], en y inscrivant deux zones de perturbations périodiques entre lesquelles on laisse un segment non perturbé qui constitue la cavité (Figure 1.22).

Figure 1.22 Fabry-Pérot sur fibre optique

Les utilisations possibles de l'interféromètre de Fabry-Pérot sont :

- la séparation de longueurs d'onde très voisines dans le domaine de la spectroscopie. - la réalisation d'opérations de filtrage dynamique fortement sélective.

- la réalisation de cavités laser.

- le contrôle de la longueur d'onde des signaux.

3.3.La compensation de dispersion

3.3.1. Généralités

La dispersion au sens large est un étalement ou un élargissement des pulses lumineux lors de leur propagation le long d’une fibre (Figure 1.23). Une dispersion très importante augmente le taux d’erreur au niveau du récepteur (une impossibilité de distinguer les 0 des 1), et limite donc la capacité de transmission. La dispersion chromatique (DC) est exprimée en ps/(nm.km) (dérivée du retard de groupe en fonction de la longueur d’onde λ). Le délai différentiel, la largeur spectrale de la source, et la distance sont exprimés en ps, nm et km respectivement.

Figure 1.23 La dispersion dans une fibre optique. Elargissement de l’impulsion lors de la propagation dans la fibre optique

Si la dispersion chromatique est positive, cela indique que les longueurs d’onde plus courtes se propagent plus vite. Pour minimiser l’effet de la dispersion, le délai différentiel ne doit pas dépasser les 10 % du débit. La dispersion est un facteur limitant le débit dans les liens de transmission.

Pour une transmission large bande, il faut considérer la variation de la dispersion de la fibre dans la bande que l’on caractérise par la pente de dispersion (exprimée en ps/(nm2.km)). La dispersion chromatique induit dans le spectre du signal un déphasage quadratique. Ce déphasage conduit dans le domaine temporel à l’élargissement d’une impulsion lors de sa propagation (Figue 1.23).

En raison de la largeur spectrale non nulle de la source, chaque composante spectrale se propage à une vitesse spécifique v = c/n(λ), ce qui implique un retard de groupe (Group delay) (Figure 1.24).

Figure 1.24 Illustration du retard de groupe

Aujourd'hui l'augmentation du débit sur les lignes de transmission utilisées a fait de la dispersion chromatique un problème majeur d'autant plus que les distances visées sont grandes.

Dans une fibre optique monomode, deux effets physiques contribuent à la variation de l’indice de groupe avec la longueur d’onde, d’une part la dépendance de l’indice du matériau avec la longueur d’onde (dispersion du matériau) et d’autre part le fait que, à profil d’indice fixé, l’indice effectif du mode fondamental dépend des dimensions du guide par rapport à la longueur d’onde (dispersion du guide). Il en résulte une variation du retard de groupe avec la longueur d’onde dont la pente locale est la dispersion chromatique de la fibre. Pour une fibre optique standard (type G.652), la dispersion vaut typiquement 16 ps/(nm.km) à 1550 nm.

Dans le cas d’une transmission numérique, l’élargissement d’une impulsion lors de sa propagation ne doit pas excéder une fraction du temps bit pour garantir un faible taux d’erreur. Ceci implique une limitation de distance pour une propagation sans compensation. Cette distance maximale (longueur de dispersion) est inversement proportionnelle à la dispersion de la fibre et au carré du débit de transmission. Cette limitation est donc d’autant plus drastique que le débit de transmission est élevé : typiquement, pour une fibre de transmission standard à 1550 nm, la distance maximale de propagation est égale à 500 km pour un débit de 2.5 Gb/s, elle descend à 30 km pour 10 Gb/s et est réduite à 2 km pour 40 Gb/s [20].